テラヘルツ電磁波発生・検出装置
【課題】 時間幅が０．１ピコ秒以下の光パルスの照射によって発生する電荷の寿命を１ピコ秒以下とすることができる電磁波放射用アンテナを提供すること。
【解決手段】 この電磁波放射用アンテナ２８は、半絶縁性基板と、半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、一対の伝送線路本体は平行に配置されており、突起電極は互いに向かい合っており、向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である。この電磁波放射用アンテナ２８は、テラヘルツ電磁波発生・検出装置に用いられる。
【解決手段】 この電磁波放射用アンテナ２８は、半絶縁性基板と、半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、一対の伝送線路本体は平行に配置されており、突起電極は互いに向かい合っており、向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である。この電磁波放射用アンテナ２８は、テラヘルツ電磁波発生・検出装置に用いられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は強度の大きいテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波を発生させることができ、高速大容量での無線通信へ応用することのできるテラヘルツ電磁波発生装置に関し、あるいは半導体、誘電体等の材料評価に利用し、特にテラヘルツ帯で使用する素子を構成する材料の複素屈折率などを測定するテラヘルツ帯複素誘電率測定装置としても応用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ帯のような産業応用が進んでおらず、未開拓ともいえる周波数領域に対する電磁波源としては、後進波管や分子レーザーなどが用いられてきた。一方で、検出にはＩｎＳｂ等、固体中の電子ガスの電磁波吸収による抵抗変化を測定するホットエレクトロンボロメタが多用される。
【０００３】
しかし、これらの電磁波源は周波数が離散的、或いは可変であっても周波数範囲が狭し、得られる電磁波強度も数マイクロワット（μＷ）程度と弱いいため、テラヘルツ帯の電磁波を１ｍから１０ｍの範囲で送受信することは難しかった。
【０００４】
これらの課題を解決するため、パルスレーザー励起の光伝導素子を用いた分光法が１９８５年頃開発された。
【０００５】
この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子をサブピコ秒の超短光パルスで照射すれば光キャリアの生成により瞬間的に導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。また、光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。
【０００６】
光パルスを用いた例では、１ＴＨｚ近傍の高周波電磁波に対する試料の応答を測定するための装置として、ＴＤＳ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれる装置（特許文献１を参照）がある。
【０００７】
図４は従来のＴＤＳの概略構成図である。この図に示すように、ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｉｒｅレーザーなどからなる光源からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、一方の超短パルス光２５（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２５を「第１の超短パルス光」という場合がある）を平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射する。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表裏面には、電源３０から電圧が印加される。パルス光２５が電磁波放射用アンテナ２８に照射されると、電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れるため、パルス電磁波３２を放射する。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化して試料３４を透過させ、第２放物面鏡３６により電磁波検出用アンテナ２９の表面に集める。
【０００８】
電磁波検出用アンテナ２９の裏面はビームスプリッタ２４で分割されたもう一方の超短パルス光２６（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２６を「第２の超短パルス光」という場合がある）で照射され、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。そのため試料３４を透過して電磁波検出用アンテナ２９に到達してきた電磁波３５の電場を電流として検出することができる。ビームスプリッタ２４から電磁波検出用光伝導素子２９に到達するまでの時間を複数枚のミラーからなる光学遅延ステージ４１・４２（光学遅延系）で変えることにより、試料３４を透過して来た電磁波３５の時間波形を得ることができる。すなわち、試料３４を透過して来た電磁波３５と、光学遅延ステージ４１・４２を経由した超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出する。
【０００９】
なお、図４中、２７はレンズ、３０は電源、３４は試料、３７はカレントアンプ、３８はロックインアンプ、３９はオプティカルチョッパ、４０は平面鏡、４１はリトロリフレクタ、４２は移動式光学遅延ステージ、４３はコンピュータを示す。
【００１０】
このＴＤＳでは、用いられる電磁波が短パルスであるため、試料３４を透過してきた電磁波波形と試料３４を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数にわたる電磁波の透過率・位相遅れを計算することができる。
【００１１】
ところで、検出用光伝導素子は光パルス照射の間のパルス電磁場電場による電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。
【００１２】
したがって、光パルスもパルス電磁波も光速で検出用光伝導素子に繰り返し入射するが、各回においてパルス電磁波の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較して光パルスの照射時間は短い。そのため、光パルスが照射している間の検出用光伝導素子に流れる電流はパルス電磁波の電場のごく短い部分によるものであり、さらに光パルスとパルス電磁波とが検出用光伝導素子に到達するタイミングは時間遅延により固定されている。
【００１３】
光パルスの繰り返し周波数が例えば約１００ＭＨｚの場合、光パルスとパルス電磁波とが毎秒約１０８回検出用光伝導素子に入射してくるが、パルス電磁波の電場のごく短い部分は毎回パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分であり、全く同じ電流が毎秒約１０８回流れることになる。実際の電流計はこのような速い電流の変化に追随できないため、毎秒約１０８回のパルス電流の平均値が測定される。したがって、パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分が電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことによりパルス電磁波波形の他の部分も測定できる。このようなテラヘルツ電磁波発生・検出装置は、今日ではその出力特性、広帯域特性ともに最も優れたテラヘルツ電磁波発生・検出手法の一つとなっている。
【特許文献１】特開２００１−２１５０３号公報
【特許文献２】特開昭６２−２８１４７７号公報
【特許文献３】特開昭６２−１９６８７６号公報
【特許文献４】特開昭６３−０１２１２０号公報
【非特許文献１】Physical Review Letters vol.55(1985),pp.2152-2155
【非特許文献２】InfraredPhysics vol.26(1986),pp.23-27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前述のＴＤＳ法はテラヘルツ帯電磁波の発生および検出を司っている光伝導素子の高周波応答に対して課題を有している。検出用光伝導素子は光パルス照射の間のパルス電磁場電場による電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。
【００１５】
このように、用いている光パルスの時間幅が０．１ピコ秒程度と非常に高速であるにもかかわらず、実際に得られる検出パルス電磁波の時間幅はもとの光パルス時間幅の数十倍程度（すなわち、２〜５ピコ秒）まで広がってしまっていることになる。
【００１６】
たとえば光伝導素子材料に低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）を用いた場合、時間幅が０．１ピコ秒程度の光パルスの照射によって発生する電荷の寿命は２〜５ピコ秒であることから、検出パルス電磁波の時間幅はもとの光パルス時間幅（０．１ピコ秒）の数十倍程度（２〜５ピコ秒）まで広がってしまうということはその装置の持つポテンシャルを十分に生かし切れていないことでもある。
【００１７】
そこで、この発明は上記の課題にかんがみて、光伝導素子材料の有する高速応答性を十分に引き出しうるような素子構造を提案し、高出力かつ高感度であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記目的を達成するため、光伝導素子の電極構成において、照射される光パルスによって生じる電荷が電極間の最短距離を移動するように電流阻止領域を設け、光伝導素子材料の有する高速応答性を十分に引き出すことを可能とする。
【００１９】
具体的には、第１の本発明はテラヘルツ電磁波発生・検出装置であって、
このテラヘルツ電磁波発生・検出装置は、
超短パルス光を放射する光源２３と、ビームスプリッタ２４と、電磁波放射用アンテナ２８と、電磁波検出用アンテナ２９と、光学遅延系４１・４２を備え、
前記光源２３から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタ２４により、第１の超短パルス光２５と第２の超短パルス光２６とに分割され、
前記第１の超短パルス光２５が、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナ２８からパルス電磁波３２が放射され、
前記電磁波放射用アンテナ２８から放射されたパルス電磁波３２は試料３４を透過して電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達し、
前記第２の超短パルス光２６は、前記光学遅延系４１・４２を介して電磁波検出用アンテナ２９の裏面に到達し、
前記電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達した前記パルス電磁波３２と前記電磁波検出用アンテナ２９の裏面に到達した第２の超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出するテラヘルツ電磁波発生・検出装置であって、
前記電磁波放射用アンテナ２８は、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である。
【００２０】
第２の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた試料の誘電率の測定方法であって、
前記試料３４を前記電磁波放射用アンテナ２８と前記電磁波検出用アンテナ２９との間にセットする試料セット工程、および
前記試料３４に向けて前記電磁波放射用アンテナ２８からパルス電磁波３２を放射させることにより、前記試料３４を透過したパルス電磁波３５を前記電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達させ、前記電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達した前記パルス電磁波３５と前記電磁波検出用アンテナ２９の裏面に到達した第２の超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出するパルス電磁波放射工程、
を包含する。
【００２１】
なお、上記テラヘルツ電磁波発生・検出装置およびそれを用いた試料の誘電率の測定方法において用いられる電磁波放射用アンテナ２８もまた、本発明の趣旨に含まれる。
【００２２】
すなわち、第３の本発明は、平板状の光伝導素子からなり、第１の超短パルス光２５が照射されることにより、パルス電磁波３２が放射される電磁波放射用アンテナであって、前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、前記突起電極は互いに向かい合っており、向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である電磁波放射用アンテナである。
【００２３】
前記第１の超短パルス光の具体的なパルス時間幅は、一例として０．１ピコ秒以下であり、前記パルス電磁波の具体的なパルス時間幅は、一例として１ピコ秒μｍ以下である。
【００２４】
また、本発明は、以下のようにも表現され得る。
【００２５】
本発明に係るテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置は、
ビームスプリッタによって２光束に分割したパルス光と、
この分割した一方のパルス光を電圧印加した放射用光伝導素子に照射して電磁波を放射する電磁波放射手段と、
分割した他方のパルス光に時間遅延を与える遅延化処理手段と、
上記放射した電磁波を、透過又は反射してきた検出すべき電磁波と上記時間遅延した他方のパルス光とが電磁波検出用光伝導素子に同時に入射して生じる相互相関信号を、検出用の上記他方のパルス光と検出すべき電磁波との相互相関信号によって検出するテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置において使用される光伝導素子において、
照射される光パルスによって生じる電荷が電極間の最短距離を移動するように電流阻止領域を設けていることを特徴とする。
【００２６】
電極間の最小間隔を３〜１０μｍとし、中央位置が電極の最小間隔位置にあり、幅２〜１５μmの電流通過領域を確保するように電流阻止領域が設けてられている。
【００２７】
電流阻止領域は、イオン注入によって形成され得る。
【００２８】
使用される材料が基板温度３５０℃から４５０℃程度の低温にてＭＢＥ法で成長される半絶縁性ＧａＡｓ基板上のＬＴ−ＧａＡｓまたはＬＴ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ０＜ｘ＜０．３、半絶縁性のＩｎＰ基板上のＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓまたはＢｅが故意に添加されているＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅのうちのいずれかであり得る。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の電磁波放射用アンテナによれば、時間幅が０．１ピコ秒以下の光パルスの照射によって発生する電荷の寿命（すなわち、パルス電磁波の寿命）を１ピコ秒以下とすることができる。このような電磁波放射用アンテナを用いることにより、高出力かつ高感度であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置およびこの装置を用いた試料の誘電率の測定方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
実施の形態１
図１にＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合の光伝導素子を示す。この光伝導素子は、図４において参照符号２８により示される電磁波放射用アンテナとして本発明のテラヘルツ電磁波発生・検出装置に組み込まれる。
【００３１】
この光伝導素子は平板状であって、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によって３５０℃から４５０℃程度の低温においてＧａＡｓ膜を１〜５μｍの膜厚でエピタキシャル成長して光伝導薄膜を形成し、その後、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極からなるコプラナー伝送線路を設けた構成となっている。このコプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有している。一対の伝送線路電極本体は平行になるように配置され、一対の伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極は、互いに向かい合うように形成されている。これら２つの向かい合う突起電極が、微小ダイポールアンテナを形成している。
【００３２】
なお、ＬＴ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ０＜ｘ＜０．３、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを材料として用いる場合も成長条件は同じであるが、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを用いる場合には基板は半絶縁性のＩｎＰ基板を用いる。
【００３３】
図１にはダイポール型の電極構成を示しているがこのほかに図２に示すようなボウタイ型の電極構成もまた、よく用いられる。この図２においては、突起電極の形状が異なる。図１では突起電極は長方形であり、向かい合う２つの突起電極の間隔は一定であるが、図２では突起電極は三角形であり、向かい合う２つの突起電極の間隔は一定ではない。
【００３４】
いずれの電極構成においても向かい合う２つの突起電極の最小間隔は５μｍであり、ビームスプリッタ２４図４参照からの超短光パルスは、向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている部分以下、この部分を「電流通過領域」というに向けて照射される。
【００３５】
ここで、電流通過領域からそれた位置で発生した電荷は電極間を最短距離で走行することができないために、低速の成分が増えてしまう。
【００３６】
このことを前述の検出方法によって得られるスペクトル成分に置き換えて説明すると、様々な帯域の成分を含んだスペクトル分布が低周波領域で強度が大きくなってしまい、高周波領域の強度が小さくなってしまうことになり、高周波領域での信号対雑音比が悪くなってしまう。
【００３７】
そこで、図２に示すように、電流通過領域の周囲にエネルギー１００〜３００ｋｅＶ，ドーズ量１×１０１４〜１×１０１５ｃｍ−２の条件で酸素イオンを注入して、突起電極の両側に絶縁性の電流阻止領域を設ける。このときの電流通過領域はその中央位置が２つの向かい合う突起電極の最小間隔位置図１のようなダイポール型のような平行型電極の場合はその中央位置に一致する位置にあり、幅２μｍ以上１５μｍ以下の領域を確保するように構成しておくことが好ましい。
【００３８】
すなわち、この電流通過領域と突起電極の構成されている領域を除いた領域に、電流阻止領域を設ければよい。
【００３９】
イオン打ち込み時のエネルギーは１００ｋｅＶ以下であるとエネルギーが低すぎるため、注入ができない一方で、３００ｋｅＶを超すような高エネルギーでは結晶に多大な損傷を与えるため、上記範囲内のエネルギーで打ち込むことが好ましい。
【００４０】
また、電流通過領域の幅が２μｍ未満であると、打ち込みイオンをそれ以下の幅に制御することは不可能であるため電流通過領域を意図した形状に確保することができない。一方、電流通過領域の幅を１５μｍを超える幅にしてしまうと、発生した電荷が散乱してしまい、突起電極間を最短距離で走行することが難しくなってしまうので好ましくない。このため電流通過領域の幅は上記範囲内であることが好ましい。なお、「電流通過領域の幅」は、図１および図２に示すように、伝送線路電極本体の長手方向（図１および図２において、図面左右方向）と同じ方向である。
【００４１】
このときのイオン注入に用いる元素は酸素イオン以外にプロトン、ほう素イオンを注入することによって、絶縁化することができる。
【００４２】
なお、ＬＴ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ０＜ｘ＜０．３、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを材料として用いる場合も注入条件は同じであるが、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを用いる場合に限ってはＦｅイオンの注入によっても同様な効果が得られる。
【００４３】
このような光伝導素子の電流通過領域に超短光パルスを照射すると、従来例とは異なり、時間幅が０．１ピコ秒以下の光パルスの照射によって発生する電荷の寿命（すなわち、パルス電磁波の寿命）を１ピコ秒以下とすることができる。このような電磁波放射用アンテナを用いることにより、高出力かつ高感度であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置およびこの装置を用いた試料の誘電率の測定方法を提供することができる。
【００４４】
（実施例）
実施の形態に従って、実際にイオン注入した光伝導素子を用いた場合の実験結果を示す。光伝導素子材料にはＬＴ−ＧａＡｓを用いた。このＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によって３５０℃から４５０℃程度の低温においてＧａＡｓ膜を３μｍの膜厚でエピタキシャル成長して光伝導薄膜を形成し、次いでその表面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極からなるコプラナー伝送線路を設けた構成となっている。なお、この電極構造としては、図２に示すボウタイ型を採用した。
【００４５】
また、電流阻止領域の構成にはエネルギー１５０ｋｅＶ，ドーズ量５×１０14cm-2の条件で酸素イオンを注入し、電流通過領域はその中央位置が向かい合う２つの突起電極の最小間隔位置にあり、幅１０μｍの領域を確保するように構成した。
【００４６】
図３に実験結果を示す。図３ａはＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子を用いた場合の実験結果である。縦軸に強度を、横軸に時間軸をとった場合に得られる結果は図３に示したようなスペクトル形状であり、電流阻止領域を設けることによって時間軸上のスペクトル線幅が細くなっていることがわかる。このことは周波数表示に変換した場合に高周波領域の強度が大きくなっていることを意味している。
【００４７】
図３ａで得られた結果をフーリエ変換することによって発生している電磁波のスペクトル分布表示縦軸：強度、横軸：周波数に変換することができ、図３ｂに示したようなスペクトル分布が得られる。すなわち、電流阻止領域がない場合には、周波数が約０．１ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じるのに対して、電流阻止領域がある場合には、周波数が約０．５ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じる。
【００４８】
図３ｂに示したように電流阻止領域を設けることにより高周波領域本明細書において、高周波領域とは、１ＴＨｚ以上の周波数領域をいうのスペクトル成分が増え、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生および検出が実現した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明により、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生・検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】テラヘルツ帯電磁波発生・検出装置に係るダイポール型光伝導素子を示した図
【図２】本発明のテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置に係る実施の形態の概略構成図で、光伝導素子のボウタイ型電極構造に対する電流阻止領域を示した図
【図３】ａこの発明に係る遅延時間に対する電流信号を示すグラフｂａのデータから計算されたスペクトル分布を示すグラフ
【図４】従来のＴＤＳの概略構成図
【符号の説明】
【００５１】
２４ ビームスプリッタ
２７ レンズ
２８ 電磁波放射用光伝導素子
２９ 電磁波検出用光伝導素子
３０ 電源
３１，３６ 放物面鏡
３４ 試料
３８ ロックイン増幅器
３９ 光チョッパ
４０ 平面鏡
４１ リトロリフレクタ
４２ 移動ステージ
４３ コンピュータ
【技術分野】
【０００１】
この発明は強度の大きいテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波を発生させることができ、高速大容量での無線通信へ応用することのできるテラヘルツ電磁波発生装置に関し、あるいは半導体、誘電体等の材料評価に利用し、特にテラヘルツ帯で使用する素子を構成する材料の複素屈折率などを測定するテラヘルツ帯複素誘電率測定装置としても応用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ帯のような産業応用が進んでおらず、未開拓ともいえる周波数領域に対する電磁波源としては、後進波管や分子レーザーなどが用いられてきた。一方で、検出にはＩｎＳｂ等、固体中の電子ガスの電磁波吸収による抵抗変化を測定するホットエレクトロンボロメタが多用される。
【０００３】
しかし、これらの電磁波源は周波数が離散的、或いは可変であっても周波数範囲が狭し、得られる電磁波強度も数マイクロワット（μＷ）程度と弱いいため、テラヘルツ帯の電磁波を１ｍから１０ｍの範囲で送受信することは難しかった。
【０００４】
これらの課題を解決するため、パルスレーザー励起の光伝導素子を用いた分光法が１９８５年頃開発された。
【０００５】
この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子をサブピコ秒の超短光パルスで照射すれば光キャリアの生成により瞬間的に導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。また、光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。
【０００６】
光パルスを用いた例では、１ＴＨｚ近傍の高周波電磁波に対する試料の応答を測定するための装置として、ＴＤＳ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれる装置（特許文献１を参照）がある。
【０００７】
図４は従来のＴＤＳの概略構成図である。この図に示すように、ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｉｒｅレーザーなどからなる光源からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、一方の超短パルス光２５（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２５を「第１の超短パルス光」という場合がある）を平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射する。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表裏面には、電源３０から電圧が印加される。パルス光２５が電磁波放射用アンテナ２８に照射されると、電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れるため、パルス電磁波３２を放射する。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化して試料３４を透過させ、第２放物面鏡３６により電磁波検出用アンテナ２９の表面に集める。
【０００８】
電磁波検出用アンテナ２９の裏面はビームスプリッタ２４で分割されたもう一方の超短パルス光２６（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２６を「第２の超短パルス光」という場合がある）で照射され、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。そのため試料３４を透過して電磁波検出用アンテナ２９に到達してきた電磁波３５の電場を電流として検出することができる。ビームスプリッタ２４から電磁波検出用光伝導素子２９に到達するまでの時間を複数枚のミラーからなる光学遅延ステージ４１・４２（光学遅延系）で変えることにより、試料３４を透過して来た電磁波３５の時間波形を得ることができる。すなわち、試料３４を透過して来た電磁波３５と、光学遅延ステージ４１・４２を経由した超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出する。
【０００９】
なお、図４中、２７はレンズ、３０は電源、３４は試料、３７はカレントアンプ、３８はロックインアンプ、３９はオプティカルチョッパ、４０は平面鏡、４１はリトロリフレクタ、４２は移動式光学遅延ステージ、４３はコンピュータを示す。
【００１０】
このＴＤＳでは、用いられる電磁波が短パルスであるため、試料３４を透過してきた電磁波波形と試料３４を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数にわたる電磁波の透過率・位相遅れを計算することができる。
【００１１】
ところで、検出用光伝導素子は光パルス照射の間のパルス電磁場電場による電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。
【００１２】
したがって、光パルスもパルス電磁波も光速で検出用光伝導素子に繰り返し入射するが、各回においてパルス電磁波の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較して光パルスの照射時間は短い。そのため、光パルスが照射している間の検出用光伝導素子に流れる電流はパルス電磁波の電場のごく短い部分によるものであり、さらに光パルスとパルス電磁波とが検出用光伝導素子に到達するタイミングは時間遅延により固定されている。
【００１３】
光パルスの繰り返し周波数が例えば約１００ＭＨｚの場合、光パルスとパルス電磁波とが毎秒約１０８回検出用光伝導素子に入射してくるが、パルス電磁波の電場のごく短い部分は毎回パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分であり、全く同じ電流が毎秒約１０８回流れることになる。実際の電流計はこのような速い電流の変化に追随できないため、毎秒約１０８回のパルス電流の平均値が測定される。したがって、パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分が電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことによりパルス電磁波波形の他の部分も測定できる。このようなテラヘルツ電磁波発生・検出装置は、今日ではその出力特性、広帯域特性ともに最も優れたテラヘルツ電磁波発生・検出手法の一つとなっている。
【特許文献１】特開２００１−２１５０３号公報
【特許文献２】特開昭６２−２８１４７７号公報
【特許文献３】特開昭６２−１９６８７６号公報
【特許文献４】特開昭６３−０１２１２０号公報
【非特許文献１】Physical Review Letters vol.55(1985),pp.2152-2155
【非特許文献２】InfraredPhysics vol.26(1986),pp.23-27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前述のＴＤＳ法はテラヘルツ帯電磁波の発生および検出を司っている光伝導素子の高周波応答に対して課題を有している。検出用光伝導素子は光パルス照射の間のパルス電磁場電場による電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。
【００１５】
このように、用いている光パルスの時間幅が０．１ピコ秒程度と非常に高速であるにもかかわらず、実際に得られる検出パルス電磁波の時間幅はもとの光パルス時間幅の数十倍程度（すなわち、２〜５ピコ秒）まで広がってしまっていることになる。
【００１６】
たとえば光伝導素子材料に低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）を用いた場合、時間幅が０．１ピコ秒程度の光パルスの照射によって発生する電荷の寿命は２〜５ピコ秒であることから、検出パルス電磁波の時間幅はもとの光パルス時間幅（０．１ピコ秒）の数十倍程度（２〜５ピコ秒）まで広がってしまうということはその装置の持つポテンシャルを十分に生かし切れていないことでもある。
【００１７】
そこで、この発明は上記の課題にかんがみて、光伝導素子材料の有する高速応答性を十分に引き出しうるような素子構造を提案し、高出力かつ高感度であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記目的を達成するため、光伝導素子の電極構成において、照射される光パルスによって生じる電荷が電極間の最短距離を移動するように電流阻止領域を設け、光伝導素子材料の有する高速応答性を十分に引き出すことを可能とする。
【００１９】
具体的には、第１の本発明はテラヘルツ電磁波発生・検出装置であって、
このテラヘルツ電磁波発生・検出装置は、
超短パルス光を放射する光源２３と、ビームスプリッタ２４と、電磁波放射用アンテナ２８と、電磁波検出用アンテナ２９と、光学遅延系４１・４２を備え、
前記光源２３から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタ２４により、第１の超短パルス光２５と第２の超短パルス光２６とに分割され、
前記第１の超短パルス光２５が、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナ２８からパルス電磁波３２が放射され、
前記電磁波放射用アンテナ２８から放射されたパルス電磁波３２は試料３４を透過して電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達し、
前記第２の超短パルス光２６は、前記光学遅延系４１・４２を介して電磁波検出用アンテナ２９の裏面に到達し、
前記電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達した前記パルス電磁波３２と前記電磁波検出用アンテナ２９の裏面に到達した第２の超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出するテラヘルツ電磁波発生・検出装置であって、
前記電磁波放射用アンテナ２８は、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である。
【００２０】
第２の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた試料の誘電率の測定方法であって、
前記試料３４を前記電磁波放射用アンテナ２８と前記電磁波検出用アンテナ２９との間にセットする試料セット工程、および
前記試料３４に向けて前記電磁波放射用アンテナ２８からパルス電磁波３２を放射させることにより、前記試料３４を透過したパルス電磁波３５を前記電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達させ、前記電磁波検出用アンテナ２９の表面に到達した前記パルス電磁波３５と前記電磁波検出用アンテナ２９の裏面に到達した第２の超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出するパルス電磁波放射工程、
を包含する。
【００２１】
なお、上記テラヘルツ電磁波発生・検出装置およびそれを用いた試料の誘電率の測定方法において用いられる電磁波放射用アンテナ２８もまた、本発明の趣旨に含まれる。
【００２２】
すなわち、第３の本発明は、平板状の光伝導素子からなり、第１の超短パルス光２５が照射されることにより、パルス電磁波３２が放射される電磁波放射用アンテナであって、前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、前記突起電極は互いに向かい合っており、向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である電磁波放射用アンテナである。
【００２３】
前記第１の超短パルス光の具体的なパルス時間幅は、一例として０．１ピコ秒以下であり、前記パルス電磁波の具体的なパルス時間幅は、一例として１ピコ秒μｍ以下である。
【００２４】
また、本発明は、以下のようにも表現され得る。
【００２５】
本発明に係るテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置は、
ビームスプリッタによって２光束に分割したパルス光と、
この分割した一方のパルス光を電圧印加した放射用光伝導素子に照射して電磁波を放射する電磁波放射手段と、
分割した他方のパルス光に時間遅延を与える遅延化処理手段と、
上記放射した電磁波を、透過又は反射してきた検出すべき電磁波と上記時間遅延した他方のパルス光とが電磁波検出用光伝導素子に同時に入射して生じる相互相関信号を、検出用の上記他方のパルス光と検出すべき電磁波との相互相関信号によって検出するテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置において使用される光伝導素子において、
照射される光パルスによって生じる電荷が電極間の最短距離を移動するように電流阻止領域を設けていることを特徴とする。
【００２６】
電極間の最小間隔を３〜１０μｍとし、中央位置が電極の最小間隔位置にあり、幅２〜１５μmの電流通過領域を確保するように電流阻止領域が設けてられている。
【００２７】
電流阻止領域は、イオン注入によって形成され得る。
【００２８】
使用される材料が基板温度３５０℃から４５０℃程度の低温にてＭＢＥ法で成長される半絶縁性ＧａＡｓ基板上のＬＴ−ＧａＡｓまたはＬＴ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ０＜ｘ＜０．３、半絶縁性のＩｎＰ基板上のＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓまたはＢｅが故意に添加されているＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅのうちのいずれかであり得る。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の電磁波放射用アンテナによれば、時間幅が０．１ピコ秒以下の光パルスの照射によって発生する電荷の寿命（すなわち、パルス電磁波の寿命）を１ピコ秒以下とすることができる。このような電磁波放射用アンテナを用いることにより、高出力かつ高感度であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置およびこの装置を用いた試料の誘電率の測定方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
実施の形態１
図１にＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合の光伝導素子を示す。この光伝導素子は、図４において参照符号２８により示される電磁波放射用アンテナとして本発明のテラヘルツ電磁波発生・検出装置に組み込まれる。
【００３１】
この光伝導素子は平板状であって、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によって３５０℃から４５０℃程度の低温においてＧａＡｓ膜を１〜５μｍの膜厚でエピタキシャル成長して光伝導薄膜を形成し、その後、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極からなるコプラナー伝送線路を設けた構成となっている。このコプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有している。一対の伝送線路電極本体は平行になるように配置され、一対の伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極は、互いに向かい合うように形成されている。これら２つの向かい合う突起電極が、微小ダイポールアンテナを形成している。
【００３２】
なお、ＬＴ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ０＜ｘ＜０．３、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを材料として用いる場合も成長条件は同じであるが、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを用いる場合には基板は半絶縁性のＩｎＰ基板を用いる。
【００３３】
図１にはダイポール型の電極構成を示しているがこのほかに図２に示すようなボウタイ型の電極構成もまた、よく用いられる。この図２においては、突起電極の形状が異なる。図１では突起電極は長方形であり、向かい合う２つの突起電極の間隔は一定であるが、図２では突起電極は三角形であり、向かい合う２つの突起電極の間隔は一定ではない。
【００３４】
いずれの電極構成においても向かい合う２つの突起電極の最小間隔は５μｍであり、ビームスプリッタ２４図４参照からの超短光パルスは、向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている部分以下、この部分を「電流通過領域」というに向けて照射される。
【００３５】
ここで、電流通過領域からそれた位置で発生した電荷は電極間を最短距離で走行することができないために、低速の成分が増えてしまう。
【００３６】
このことを前述の検出方法によって得られるスペクトル成分に置き換えて説明すると、様々な帯域の成分を含んだスペクトル分布が低周波領域で強度が大きくなってしまい、高周波領域の強度が小さくなってしまうことになり、高周波領域での信号対雑音比が悪くなってしまう。
【００３７】
そこで、図２に示すように、電流通過領域の周囲にエネルギー１００〜３００ｋｅＶ，ドーズ量１×１０１４〜１×１０１５ｃｍ−２の条件で酸素イオンを注入して、突起電極の両側に絶縁性の電流阻止領域を設ける。このときの電流通過領域はその中央位置が２つの向かい合う突起電極の最小間隔位置図１のようなダイポール型のような平行型電極の場合はその中央位置に一致する位置にあり、幅２μｍ以上１５μｍ以下の領域を確保するように構成しておくことが好ましい。
【００３８】
すなわち、この電流通過領域と突起電極の構成されている領域を除いた領域に、電流阻止領域を設ければよい。
【００３９】
イオン打ち込み時のエネルギーは１００ｋｅＶ以下であるとエネルギーが低すぎるため、注入ができない一方で、３００ｋｅＶを超すような高エネルギーでは結晶に多大な損傷を与えるため、上記範囲内のエネルギーで打ち込むことが好ましい。
【００４０】
また、電流通過領域の幅が２μｍ未満であると、打ち込みイオンをそれ以下の幅に制御することは不可能であるため電流通過領域を意図した形状に確保することができない。一方、電流通過領域の幅を１５μｍを超える幅にしてしまうと、発生した電荷が散乱してしまい、突起電極間を最短距離で走行することが難しくなってしまうので好ましくない。このため電流通過領域の幅は上記範囲内であることが好ましい。なお、「電流通過領域の幅」は、図１および図２に示すように、伝送線路電極本体の長手方向（図１および図２において、図面左右方向）と同じ方向である。
【００４１】
このときのイオン注入に用いる元素は酸素イオン以外にプロトン、ほう素イオンを注入することによって、絶縁化することができる。
【００４２】
なお、ＬＴ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ０＜ｘ＜０．３、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを材料として用いる場合も注入条件は同じであるが、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、ＬＴ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ；Ｂｅを用いる場合に限ってはＦｅイオンの注入によっても同様な効果が得られる。
【００４３】
このような光伝導素子の電流通過領域に超短光パルスを照射すると、従来例とは異なり、時間幅が０．１ピコ秒以下の光パルスの照射によって発生する電荷の寿命（すなわち、パルス電磁波の寿命）を１ピコ秒以下とすることができる。このような電磁波放射用アンテナを用いることにより、高出力かつ高感度であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置およびこの装置を用いた試料の誘電率の測定方法を提供することができる。
【００４４】
（実施例）
実施の形態に従って、実際にイオン注入した光伝導素子を用いた場合の実験結果を示す。光伝導素子材料にはＬＴ−ＧａＡｓを用いた。このＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によって３５０℃から４５０℃程度の低温においてＧａＡｓ膜を３μｍの膜厚でエピタキシャル成長して光伝導薄膜を形成し、次いでその表面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極からなるコプラナー伝送線路を設けた構成となっている。なお、この電極構造としては、図２に示すボウタイ型を採用した。
【００４５】
また、電流阻止領域の構成にはエネルギー１５０ｋｅＶ，ドーズ量５×１０14cm-2の条件で酸素イオンを注入し、電流通過領域はその中央位置が向かい合う２つの突起電極の最小間隔位置にあり、幅１０μｍの領域を確保するように構成した。
【００４６】
図３に実験結果を示す。図３ａはＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子を用いた場合の実験結果である。縦軸に強度を、横軸に時間軸をとった場合に得られる結果は図３に示したようなスペクトル形状であり、電流阻止領域を設けることによって時間軸上のスペクトル線幅が細くなっていることがわかる。このことは周波数表示に変換した場合に高周波領域の強度が大きくなっていることを意味している。
【００４７】
図３ａで得られた結果をフーリエ変換することによって発生している電磁波のスペクトル分布表示縦軸：強度、横軸：周波数に変換することができ、図３ｂに示したようなスペクトル分布が得られる。すなわち、電流阻止領域がない場合には、周波数が約０．１ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じるのに対して、電流阻止領域がある場合には、周波数が約０．５ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じる。
【００４８】
図３ｂに示したように電流阻止領域を設けることにより高周波領域本明細書において、高周波領域とは、１ＴＨｚ以上の周波数領域をいうのスペクトル成分が増え、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生および検出が実現した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明により、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生・検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】テラヘルツ帯電磁波発生・検出装置に係るダイポール型光伝導素子を示した図
【図２】本発明のテラヘルツ帯電磁波発生・検出装置に係る実施の形態の概略構成図で、光伝導素子のボウタイ型電極構造に対する電流阻止領域を示した図
【図３】ａこの発明に係る遅延時間に対する電流信号を示すグラフｂａのデータから計算されたスペクトル分布を示すグラフ
【図４】従来のＴＤＳの概略構成図
【符号の説明】
【００５１】
２４ ビームスプリッタ
２７ レンズ
２８ 電磁波放射用光伝導素子
２９ 電磁波検出用光伝導素子
３０ 電源
３１，３６ 放物面鏡
３４ 試料
３８ ロックイン増幅器
３９ 光チョッパ
４０ 平面鏡
４１ リトロリフレクタ
４２ 移動ステージ
４３ コンピュータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルス光を放射する光源と、ビームスプリッタと、電磁波放射用アンテナと、電磁波検出用アンテナと、光学遅延系を備え、
前記光源から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタにより、第１の超短パルス光と第２の超短パルス光とに分割され、
前記第１の超短パルス光が、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナに照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波が放射され、
前記電磁波放射用アンテナから放射されたパルス電磁波は試料を透過して電磁波検出用アンテナの表面に到達し、
前記第２の超短パルス光は、前記光学遅延系を介して電磁波検出用アンテナの裏面に到達し、
前記電磁波検出用アンテナの表面に到達した前記パルス電磁波と前記電磁波検出用アンテナの裏面に到達した第２の超短パルス光との相互相関信号を電流として検出するテラヘルツ電磁波発生・検出装置であって、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である、
テラヘルツ電磁波発生・検出装置。
【請求項２】
前記第１の超短パルス光のパルス時間幅は０．１ピコ秒以下であり、前記パルス電磁波のパルス時間幅は１ピコ秒μｍ以下である、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生・検出装置。
【請求項３】
テラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた試料の誘電率の測定方法であって、
前記テラヘルツ電磁波発生・検出装置は、
超短パルス光を放射する光源と、ビームスプリッタと、電磁波放射用アンテナと、電磁波検出用アンテナと、光学遅延系を備え、
前記光源から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタにより、第１の超短パルス光と第２の超短パルス光とに分割され、
前記第１の超短パルス光が、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナに照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波が放射され、
前記電磁波放射用アンテナから放射されたパルス電磁波は電磁波検出用アンテナの表面に到達し、
前記第２の超短パルス光は、前記光学遅延系を介して電磁波検出用アンテナの裏面に到達し、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下であって、
前記測定方法は、
前記試料を前記電磁波放射用アンテナと前記電磁波検出用アンテナとの間にセットする試料セット工程、および
前記試料に向けて前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波を放射させることにより、前記試料を透過したパルス電磁波を前記電磁波検出用アンテナの表面に到達させ、前記電磁波検出用アンテナの表面に到達した前記パルス電磁波と前記電磁波検出用アンテナの裏面に到達した第２の超短パルス光との相互相関信号を電流として検出するパルス電磁波放射工程、
を包含する。
【請求項４】
前記第１の超短パルス光のパルス時間幅は０．１ピコ秒以下であり、前記パルス電磁波のパルス時間幅は１ピコ秒μｍ以下である、請求項３に記載のテラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた試料の誘電率の測定方法。
【請求項５】
平板状の光伝導素子からなり、第１の超短パルス光が照射されることにより、パルス電磁波が放射される電磁波放射用アンテナであって、
前記電磁波放射用アンテナは、
半絶縁性基板と、
前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、
コプラナー伝送線路と
を有し、
前記コプラナー伝送線路は、
一対の伝送線路電極本体と、
前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極と
を有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である、
電磁波放射用アンテナ。
【請求項６】
前記第１の超短パルス光のパルス時間幅は０．１ピコ秒以下であり、
前記パルス電磁波のパルス時間幅は１ピコ秒μｍ以下である、請求項５に記載の電磁波放射用アンテナ。
【請求項１】
超短パルス光を放射する光源と、ビームスプリッタと、電磁波放射用アンテナと、電磁波検出用アンテナと、光学遅延系を備え、
前記光源から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタにより、第１の超短パルス光と第２の超短パルス光とに分割され、
前記第１の超短パルス光が、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナに照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波が放射され、
前記電磁波放射用アンテナから放射されたパルス電磁波は試料を透過して電磁波検出用アンテナの表面に到達し、
前記第２の超短パルス光は、前記光学遅延系を介して電磁波検出用アンテナの裏面に到達し、
前記電磁波検出用アンテナの表面に到達した前記パルス電磁波と前記電磁波検出用アンテナの裏面に到達した第２の超短パルス光との相互相関信号を電流として検出するテラヘルツ電磁波発生・検出装置であって、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である、
テラヘルツ電磁波発生・検出装置。
【請求項２】
前記第１の超短パルス光のパルス時間幅は０．１ピコ秒以下であり、前記パルス電磁波のパルス時間幅は１ピコ秒μｍ以下である、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生・検出装置。
【請求項３】
テラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた試料の誘電率の測定方法であって、
前記テラヘルツ電磁波発生・検出装置は、
超短パルス光を放射する光源と、ビームスプリッタと、電磁波放射用アンテナと、電磁波検出用アンテナと、光学遅延系を備え、
前記光源から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタにより、第１の超短パルス光と第２の超短パルス光とに分割され、
前記第１の超短パルス光が、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナに照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波が放射され、
前記電磁波放射用アンテナから放射されたパルス電磁波は電磁波検出用アンテナの表面に到達し、
前記第２の超短パルス光は、前記光学遅延系を介して電磁波検出用アンテナの裏面に到達し、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下であって、
前記測定方法は、
前記試料を前記電磁波放射用アンテナと前記電磁波検出用アンテナとの間にセットする試料セット工程、および
前記試料に向けて前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波を放射させることにより、前記試料を透過したパルス電磁波を前記電磁波検出用アンテナの表面に到達させ、前記電磁波検出用アンテナの表面に到達した前記パルス電磁波と前記電磁波検出用アンテナの裏面に到達した第２の超短パルス光との相互相関信号を電流として検出するパルス電磁波放射工程、
を包含する。
【請求項４】
前記第１の超短パルス光のパルス時間幅は０．１ピコ秒以下であり、前記パルス電磁波のパルス時間幅は１ピコ秒μｍ以下である、請求項３に記載のテラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた試料の誘電率の測定方法。
【請求項５】
平板状の光伝導素子からなり、第１の超短パルス光が照射されることにより、パルス電磁波が放射される電磁波放射用アンテナであって、
前記電磁波放射用アンテナは、
半絶縁性基板と、
前記半絶縁性基板に形成された光伝導薄膜と、
コプラナー伝送線路と
を有し、
前記コプラナー伝送線路は、
一対の伝送線路電極本体と、
前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極と
を有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている電流通過領域の周囲に不純物が含まれており、
前記電流通過領域の幅は２μｍ以上１５μｍ以下である、
電磁波放射用アンテナ。
【請求項６】
前記第１の超短パルス光のパルス時間幅は０．１ピコ秒以下であり、
前記パルス電磁波のパルス時間幅は１ピコ秒μｍ以下である、請求項５に記載の電磁波放射用アンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１０３１９（Ｐ２００６−１０３１９Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８３２７０（Ｐ２００４−１８３２７０）
【出願日】平成１６年６月２２日（２００４．６．２２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２２日（２００４．６．２２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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